不同气氛下煤灰中铁含量对灰熔融特性影响研究

殷志源，项群扬,竺浩炜

(1.浙江越华能源检测有限公司，浙江 宁波 315200；2.浙江浙能技术研究院有限公司，浙江 杭州 311121)

0 前 言

在锅炉安全经济运行和相关政策的多重压力下，由于煤种复杂多变，越来越多的燃煤电厂采用配煤掺烧技术，配煤的灰熔融特性是评判动力用煤沾污、结渣以及选择不同排渣方式的重要指标，尤其是配煤的软化温度与其结渣特性息息相关[1，2]。

当前，国内外学者对预测单一煤灰的熔融温度进行的研究工作较多，并取得了较好的成果，其预测煤灰熔融性的方法主要可分为以下两类：① 直接将煤灰熔融温度与煤灰的化学组成含量或含量之间的某种比值建立数学关系，采用回归分析、最小二乘法、偏最小二乘法、神经网络等数学方法确定预测关系式中的常数;② 通过相图、完全液相温度等具有化学意义的介质，建立煤灰熔融性温度与化学组成的关系，进而确定预测灰熔性温度的方法[3-6]。其它预测方法有从原煤中矿物相组成和含量出发，进而建立灰熔融温度与原煤中矿物相组成之间的函数关系[7]。相关的灰熔融温度预测模型均可在公开发表的文献中查阅，更多基于煤灰熔融温度和煤灰成分之间的关系研究，以及针对国标方法氧化性气氛和弱还原性气氛对不同煤灰熔性温度的影响研究表明，氧化性气氛下灰熔融温度均高于弱还原性气氛下灰熔融温度[8，9]。针对气氛对灰熔融温度的影响，一般认为与灰成分中的铁以及钙镁含量有关，其中由于煤灰中铁元素在不同气氛下存在不同的形态(硫化亚铁、硫化铁、氧化铁、四氧化三铁和碳酸铁等)，因此在不同气氛下由于煤灰成分中铁的含量不同，对灰熔融温度的影响也不同。

以下在国标封碳法、燃煤锅炉氧化性气氛和燃煤锅炉强还原性气氛3种气氛下研究煤灰成分中铁含量对煤灰熔融温度的影响，并给出相应的计算关系式，以此作为对传统灰熔融温度预测模型的有效补充。

1 试验系统

搭建1套气氛可调节的煤灰熔融特性测试系统，如图1所示，主要包括气瓶组、质量流量控制器和5E-AF4000灰熔融性测定仪；气瓶组由4个气瓶组成，分别为N2、O2、CO2和CO气瓶，通过质量流量控制器调节不同的气体的流量来实现不同的气体配比。

图1 气氛可调节的煤灰熔融特性测试系统

试验开始前打开气瓶，通过质量流量控制器调节气体流量，通气总流量为500 mL/min；配气通过灰熔性温度测试装置后可通入烟气分析仪监测实际烟气成分。试验期间，配气持续通入，保持测试装置内的气氛恒定。

2 试验结果

2.1 气氛条件设置

一般而言，干烟气的主要成分是N2、CO、CO2和O2，其中N2约占80%，CO、CO2和O2合计占20%左右。根据低氮燃烧改造后锅炉主燃区烟气中CO含量分布范围[10，11]，设计了6组气氛情况，见表1。从气氛2至气氛6，CO含量依次增大。其中气氛1为空气组分，即GB/T 219—2008《煤灰熔融性的测定方法》里规定的封碳法，气氛2和气氛3的O2含量从5%降至0%，CO含量从0升至5%。气氛4和气氛5的CO含量分别为10%和15%，模拟低氮改造后锅炉主燃区的强还原性气氛状态；气氛6为CO含量20%的极端情况，仅作为参考。

表1 灰熔融温度试验气氛

气氛N2/%O2/%CO2/%CO/%气氛1802000气氛2805150气氛3800155气氛48001010气氛5800515气氛6800020

2.2 试验煤种的灰成分分析

为研究不同气氛对煤灰熔融温度的影响规律，试验煤种为某电厂常用的掺配混煤。主要煤质分析参数见表2，煤的收到基灰分为10.94%，干燥无灰基的挥发分分布为36.09%，为典型的烟煤。

表2 试验煤种的主要煤质参数

项目工业分析/%MadAdVdaf高位发热量 Qgr d / MJkg-1 元素分析/%CdHdNdSt dOd神混烟煤9.3112.0636.0928.0671.194.190.900.5011.16

该掺配混煤的灰成分(分析结果)见表3。煤灰中酸性成分多会使煤的灰熔融温度增高，因此灰成分的结渣指标可通过碱酸比B/A来判断，由式(1)计算可得。该煤种的酸碱比为0.297，属于轻微结渣煤种。

(1)

表3 试验煤种的灰成分分析结果

%

2.3 不同气氛下煤灰熔融温度测试结果

经过实验发现不同气氛下的煤灰熔融特性有较大差异，而该差异性与灰成分中氧化铁的含量有较大关系。3种不同气氛下煤灰软化温度(ST)、变形温度(DT)与灰成分中氧化铁含量的关系分别如图2、图3所示。3种气氛分别为上述的气氛1、气氛2(N2∶O2∶CO2=80∶5∶15，模拟锅炉实际氧化性气氛)、气氛5(N2∶CO2∶CO=80∶5∶15，模拟锅炉实际还原性气氛)；3种气氛中封碳法为常规测试方法，气氛还原性最强，而后2种气氛更接近于大型燃煤锅炉主燃区的实际运行状态。其中气氛2为弱氧化性气氛，接近于大型燃煤锅炉原有运行状态；气氛5为还原性气氛，更接近于锅炉低氮燃烧改造后的主燃烧器区域运行状态。

图2 3种不同气氛下煤灰软化温度与灰成分中氧化铁含量的关系

图3 3种不同气氛下煤灰变形温度与灰成分中氧化铁含量的关系

由以上可看出，不同气氛下ST和DT的变化趋势基本一致。以ST的变化规律为例，当氧化铁含量低于10%时，3种气氛之间的熔融温度差异相对较小；当氧化铁含量升高时，还原性气氛下(封碳法和气氛5)熔融温度随之明显下降，而氧化性气氛下灰熔融温度确有所升高。

2.4 不同气氛下条件下灰熔融温度预测模型

经过大量实验可计算得出气氛5和气氛2之间的软化温度(ST)存在差异， 如图4所示。可拟合得到气氛5和气氛2之间ST的差值(℃)与灰成分中氧化铁含量(%)的函数关系为:y=-43+12.84x-0.110 9x2， 可根据该关系式评估锅炉气氛从氧化性气氛转变为还原性气氛后灰熔融温度的下降情况，以此作为对灰熔融温度常规预测模型的补充。

3 结 论

(1)氧化性与还原性气氛下神混烟煤的煤灰熔融特性有较大差异，而其差异性与灰成分中氧化铁的含量有较强相关性。当氧化铁含量大于10%时，随着氧化铁含量升高，在强还原性气氛下熔融温度下降明显。

(2)通过实验研究并经数据拟合得出氧化性气氛、还原性气氛下神混烟煤类煤灰软化温度差值与灰中氧化铁含量的函数关系为y=-0.110 9x2+12.84x-43，可将其作为对灰熔融温度常规预测模型的补充。